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Description
DISPOSITIF DE PRODUCTION ET/OU STOCKAGE D'ENERGIE
COMPRENANT UN RESERVOIR
Domaine de l'invention
L'invention porte sur un dispositif de production ou de stockage d'énergie
électrique,
permettant une activation contrôlée par l'utilisateur, ainsi que sa
fabrication et son
utilisation. Ce dispositif peut en particulier permettre l'activation et/ou le
contrôle de
piles à combustibles.
Description de l'art antérieur
Les piles à combustible fonctionnent grâce au transport entre deux électrodes
d'ions, généralement des protons. Pour que la pile fonctionne, un milieu
disposé entre
l'anode et la cathode doit pouvoir conduire les ions hydroxonium (H30+), noté
.. également dans une version simplifiée H+, mais non les électrons. Cet
électrolyte dans
les piles à combustible comprend une membrane d'échange de protons, tels que
dans
les Proton Exchange Membrane Fuel Cells ou Polymer Electrolyte Membrane Fuel
Cells (PEMFC) et un liquide aqueux permettant le déplacement ionique. Les
avancées
technologiques ont permis de développer des piles dihydrogène-dioxygène ou des
.. piles enzymatiques, notamment des piles enzymatiques au glucose-dioxygène,
respectueuses de l'environnement (cf. W02018/185417, au nom du CNRS). De
telles
piles sont compactes et peuvent travailler à basse température (moins de 80
C), avec
éventuellement un électrolyte en polymère (PEMFC) ou un électrolyte aqueux
(solutions aqueuses, fluides biologiques). Elles sont utilisables non
seulement en mode
stationnaire mais également en mode portatif. Ces piles peuvent donc convenir
pour la
génération de courants faibles et pour des usages domestiques et/ou
individuels.
Cependant l'activation et/ou le contrôle, voire la désactivation, de tels
dispositifs restent
problématiques. A ce jour le contrôle est réalisé par l'interruption du
circuit électrique.
Cependant le contact des éléments de la pile (anode, cathode, membrane) avec
un
liquide peut dégrader ces éléments, en particulier quand ils contiennent des
matières
biologiques (matières végétales, enzymes...). Aussi le liquide nécessaire au
fonctionnement de la pile est avantageusement ajouté à la membrane au moment
même de son premier fonctionnement. Ceci est généralement effectué par un
ajout
extérieur de liquide sur la membrane du dispositif, notamment par pipette,
comme cela
est décrit dans la demande de brevet US2011287328A1 au nom de Sony, ou par
l'utilisation d'une bouteille comme cela est décrit dans la demande de brevet
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US2010/0297477, au nom de POWER KNOWLEDGE LTD. Les problèmes associés à
de tels dispositifs sont eux aussi nombreux : Tout d'abord l'utilisateur doit
avoir accès à
une source de liquide (aqueuse) ayant une pureté et une qualité suffisante
pour l'usage
requis et le bon fonctionnement de la pile. Il doit également pouvoir
quantifier le volume
à ajouter. Ceci requiert la mise à disposition d'un dispositif de mesure
distinct tel
qu'une pipette, ou dosette, jetable ce qui augmente les coûts et l'impact sur
l'environnement du dispositif. De plus le dispositif doit comprendre un moyen
d'introduction du liquide sur la membrane. Le fait que la membrane puisse être
accessible de l'extérieur implique notamment des problèmes supplémentaires de
contamination. Enfin, les piles de ce type sont difficiles à stocker car elles
peuvent être
sensibles au taux d'humidité de leur environnement.
Il existe donc un besoin pour des dispositifs permettant la production de
courant
électrique, et ne présentant pas les désavantages évoqués précédemment.
Description de l'invention
Un objet de l'invention est donc un dispositif de production et/ou de stockage
d'énergie électrique, en particulier électrochimique, caractérisé en ce qu'il
comprend :
- une anode,
- une cathode,
- un séparateur, tel qu'une couche de diffusion, permettant le transfert d'au
moins
un composé apte à déclencher et/ou permettre une production et/ou un stockage
d'énergie électrique, disposé entre l'anode et la cathode, et
- au moins un réservoir cassable, perçable et/ou deformable d'un composé
apte à
déclencher et/ou permettre une production et/ou un stockage d'énergie
électrique, ledit
réservoir ayant des moyens permettant de mettre en contact ledit composé et
ledit
séparateur ; lesdits moyens permettant de mettre en contact ledit composé et
ledit
séparateur étant notamment des moyens de transfert d'un fluide et en
particulier d'un
liquide
Le réservoir (en anglais storage tank ), comme tout réservoir, défini un
lieu
distinct de celui de la production et/ou le stockage d'énergie où est utilisé
le contenu du
réservoir. Il peut jouxter, voir chevaucher celui-ci mais ne définit pas un
lieu strictement
identique. En d'autres mots le réservoir et la cellule électrochimique sont
des éléments
distincts et de préférence séparés. Ce réservoir peut avantageusement
permettre de
séparer le contenu du réservoir de l'anode et de la cathode, en tout ou
partie.
Le réservoir et son contenu participe donc à la transition d'un état inactif à
actif du
dispositif. La déformation du réservoir et la libération de son contenu permet
de créer
une aptitude d'activation du dispositif. La déformation du réservoir peut donc
permettre
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soit de déclencher directement la production ou le stockage d'énergie, soit de
créer un
état d'activation intermédiaire du dispositif. En effet le dispositif peut
comprendre, en
outre, un ou plusieurs moyens d'activation, dont la configuration est choisie
pour
permettre soit l'activation, soit l'augmentation, soit la diminution, soit
l'arrêt (ou la
désactivation) de la production et/ou du stockage d'énergie. Par exemple, le
dispositif
peut également comprendre un interrupteur avantageusement manipulable par
l'utilisateur. Un tel interrupteur peut comprendre par exemple un coupe-
circuit tel
qu'une languette amovible. Cet interrupteur peut alors être manipulé par
l'utilisateur
avant ou après la mise en contact du composé apte à déclencher une production
ou un
stockage d'énergie électrique et du séparateur. Ainsi l'activation peut être
directe ou
être réalisée en plusieurs étapes. L'activation peut être réalisée par exemple
dans un
premier temps par pression sur le réservoir (et éventuellement la libération
de fluides
au sein du réservoir) puis sur le retrait d'une languette coupe circuit par
l'utilisateur. La
mise en activation du dispositif par l'utilisateur, de manière notamment
séquentiel en
plusieurs étapes ou en une seule est également un objet de l'invention.
Avantageusement, dans le dispositif selon l'invention l'anode et/ou la cathode
comprend une enzyme.
Le réservoir est cassable, perçable et/ou deformable en tout ou partie. Par
exemple
il peut comprendre une partie destructible sous l'action d'un utilisateur, il
peut
comprendre un container par exemple sous forme d'une coque (avantageusement
deformable et/ou flexible) ayant une ouverture et des moyens de rétention
obturant
l'ouverture de la coque ou du container. Cette coque, par exemple un dôme
éventuellement semi-sphérique, forme donc une cavité contenant le composé et
comprend une ouverture. Le moyen de rétention est avantageusement une couche,
ou
film, de séparation obturant l'ouverture de la coque, ou du container, et
formant avec
celle-ci un réceptacle clos et de préférence imperméable. Ce type de réservoir
est
également connu sous sa dénomination anglaise de blister pack , ou
blister . Il
peut être caractérisé par le fait que la surface d'ouverture est
proportionnellement
grande, par exemple de 25 à 45 %, par rapport à la surface totale du
réservoir.
Cependant l'invention n'est pas limitée par une telle caractéristique qui peut
être plus
élevée ou plus faible. Les moyens de rétention permettent de retenir le
composé à
l'intérieur du réservoir et notamment de les séparer, au moins en partie de
l'anode et
de la cathode.
Le choix du ou des matériaux utilisés pour former la coque et la couche de
séparation dépend de plusieurs facteurs. Par exemple, et si elle est destinée
à
accueillir un liquide, un semi-liquide, un gel ou des substances pouvant
migrer, un
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matériau stratifié comprenant une couche d'un matériau résistant est mise en
place. Il
est également possible de choisir des matériaux inertes [3] vis-à-vis de la
matière
stockée dans le réservoir ou des matériaux absorbant de la vapeur d'eau, de
l'oxygène
(ou les deux) pour contrôler l'atmosphère à l'intérieur du réservoir et ainsi
préserver le
produit contenu (stabilité accrue dans le temps) [4]. On peut également
choisir un ou
des matériaux ayant l'impact environnemental le plus faible [2]. Le matériau
est
généralement un matériau thermoformé [1] et peut être choisi dans le groupe de
matériaux constitué par:
- le polychlorure de vinyle (PVC),
- le polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE) (et notamment l'ACLARTm),
- le copolymère d'oléfine cyclique (COC),
- le polyéthylène (PE),
- l'orthophtalaldéhyde (OPA),
- l'aluminium,
- les laques de scellement à chaud ( Hot Sealing Lacquer , or HSL).
- les copolymères d'acétate de vinyle d'acide maléique et de chlorure de
vinyle
(VMCH),
- le chlorure de polyvinylidène (PVDC),
- le polyéthylène téréphtalate (PET),
- le polyéthylène téréphtalate modifié au glycol (PETG),
- les copolymères d'oléfines cycliques (COC),
- les polypropylènes ; et
- leurs mélanges.
Le réservoir peut également comprendre des laminés, et en particulier des
feuilles
laminées, de ces matériaux. Ces composants ont des caractéristiques de
résistance
chimique et/ou à l'humidité qui sont avantageuses. Par exemple, un PCTFE, un
PVC
recouvert de PVDC ou un polypropylène est particulièrement approprié pour le
réservoir, et en particulier la coque, du fait de sa capacité à faire barrière
à l'air et à
l'humidité. De plus des matériaux associant une feuille laminée d'aluminium et
de
HSL ou, d'aluminium et de VMCH, sont également préférés, en particulier pour
réaliser
le moyen de rétention et/ou de séparation. Alternativement un matériau à base
de
fibres cellulosiques (comme du papier ou du carton) est une alternative
avantageuse à
ces matériaux du point de vue environnemental et qui peut être considéré. Ce
matériau
peut être notamment associé à des films, tels que des films plastiques et en
particulier
un film dans un des matériaux thermoformés susdits.
La dimension du réservoir peut être déterminée par la quantité du composé (par
exemple du liquide) à libérer. Le terme liquide comprend non seulement un
composé
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ou une composition mais s'étend à des semi-liquides (par exemple un composé ou
une
composition visqueuse) ainsi qu'à des gels.
Le composé apte à déclencher une production, et/ou un stockage, d'énergie
électrique est contenu dans le réservoir peut être un liquide, un solide ou un
gel, de
5 préférence c'est un liquide aqueux, c'est-à-dire majoritairement à base
d'eau, voire
simplement de l'eau (qui peut être à différents degrés de pureté : eau
distillée, eau
pure, eau du robinet, etc...).
Le composé peut être une composition comprenant au moins un composé apte à
déclencher une production, et/ou un stockage, d'énergie électrique et
comprendre ou
être constituée par un électrolyte (tampon phosphaté contenant du sulfate de
sodium
ou d'ammonium, une enzyme (par exemple la glucose oxydase et/ou la FAD
déshydrogénase pour l'anode et la laccase et/ou la Bilirubine oxydase pour la
cathode,), un médiateur de l'échange électronique (par exemple de l'ABTS, la
1,2 or
1,4 naphthoquinone, la phénanthrolinequinone ou le pyrène et un de ses
dérivés), un
cofacteur (par exemple une coenzyme de type NAD-VNADP+ ou flavine, comme la
FAD
(Flavine Adénine Dinucléotide), ou la FMN (Flavine mononucléotide) , un
promoteur
(par exemple de protoporphyrine IX) d'un substrat (par exemple du glucose)
et/ou une
molécule d'orientation enzymatique, c'est-à-dire une enzyme ou un molécule
capable
d'agir sur une substance parasite ou toxique (par exemple la catalase pour
décomposer le peroxyde d'hydrogène produit pas l'enzyme glucose oxydase).
Les moyens permettant de mettre en contact le composé (par exemple un liquide)
et
le séparateur peuvent comprendre le choix du matériau qui permet une rupture,
de
préférence une rupture ménagée à un point particulier ou une zone particulière
du
réservoir, due à l'application par l'utilisateur d'une pression suffisante sur
une partie du
réservoir. C'est le cas des blisters pour cachets médicamenteux où
l'application d'une
pression sur la coque du blister, et sa déformation, provoque la rupture du
film obturant
le réceptacle, qui est moins résistant, et la mise à disposition du cachet
[cf.5-9]. Cette
disposition peut bien convenir au dispositif selon l'invention, les liquides
étant
incompressibles.
Selon une autre variante de l'invention, les moyens permettant de mettre en
contact
fluide le composé et la couche de diffusion peuvent comprendre des moyens de
perçage, éventuellement comprenant au moins un élément ayant une extrémité
coupante ou pointue. Ainsi, ces moyens de perçages peuvent, par exemple,
prendre la
forme d'aiguilles, de lames, de protubérance ou de pointes. Ces moyens sont
disposés
en regard de la surface à percer mais peuvent être disposés à l'intérieur du
réservoir
ou à l'extérieur de celui-ci. Lorsque le réservoir est un blister, ou une
coque, les
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moyens de perçage sont avantageusement disposés de manière à être actionnés
par
une pression effectuée par l'utilisateur sur la surface extérieure de la
coque.
Lesdits moyens permettant de mettre en contact ledit composé et la couche de
diffusion comprennent favorablement un conduit vers, et/ou une projection du,
séparateur, ladite projection, ou ledit conduit, étant de préférence
configurée pour
entrer en contact avec une partie du réservoir, et de préférence, lorsque le
réservoir
est sous forme de blister, directement en contact avec le moyen de rétention.
Ainsi le
moyen de mise en contact du composé avec le séparateur peut être la simple
juxtaposition et/ou mise en contact directe d'au moins une partie du
séparateur avec le
réservoir et plus particulièrement avec une zone de rupture de celui-ci,
lorsqu'elle
existe. Ainsi le séparateur est avantageusement configure pour comprendre une
partie
s'étendant au-delà des électrodes (c'est-à-dire de l'anode et de la cathode)
et venant
se positionner en regard de la zone de rupture (ménagée) du réservoir.
Le séparateur peut être une couche de diffusion ou de migration. Il peut être
un
simple espace entre l'anode et la cathode, espace destinée à être rempli par
un
composé apte à déclencher une production et/ou stockage d'énergie électrique.
Il peut
également être intégré ou distinct de la surface d'une ou des électrodes. De
manière
avantageuse, le séparateur comprend, ou est essentiellement constitué par, un
matériau adapté à une fonction de support d'électrolytes. Ce matériau comprend
les
fibres tissées ou non tissées (coton, nylon, polyesters, verre), la céramique
et les
substances naturelles (caoutchouc, amiante, bois). Il peut comprendre un
matériau
polymérique par exemple le polyéthylène, polypropylène, poly
(tétrafluoroéthylène)
et/ou le chlorure de polyvinyle, tel que l'ionomère NafionTM, un polymère
perfluoré
fabriqué par Dupont. Il peut également être un gel, tel qu'un gel ionique
et/ou un
hydrogel, ou un élément permettant la création d'un gel.
Cependant pour un usage domestique ou à grande consommation il est également
envisagé d'utiliser une membrane poreuse, plus particulièrement en fibre
cellulosique,
telle qu'une feuille de papier et en particulier du papier poreux de type
buvard ou filtre.
Le grammage de ce papier peut être avantageusement choisie dans la gamme
allant
de 10 à 300 g.rn-2, de préférence de 50 à 150 g.rn-2.
L'épaisseur du séparateur est généralement faible mais elle doit être adaptée
à
l'utilisation souhaitée. Ainsi une épaisseur de 2 mm à 10 pm, en particulier
de 1mm à
10 pm, de préférence de 300 à 150 pm (par exemple 190 pm) peut être utilisée.
Ainsi,
un papier de grammage 97 g.rn-2 qui constitue le séparateur, est placée en
sandwich
entre les deux électrodes. Le séparateur peut comprendre une seule ou
plusieurs
couches/feuilles de matériau.
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Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le réservoir du
dispositif peut
comprendre un ou plusieurs compartiments. Ainsi qu'il sera décrit plus bas,
ces
compartiments peuvent comprendre des contenus identiques ou différents les uns
des
autres. Il est cependant particulièrement avantageux d'utiliser cette
configuration pour
permettre de libérer des doses individuelles de composés ou pour préparer une
composition comprenant un mélange de composants instables dans le temps.
Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, le dispositif
comprend
au moins un autre réservoir, cet autre réservoir comprenant ledit composé apte
à
déclencher une production et/ou stockage d'énergie électrique ou un autre
composé
.. apte, ou non, à déclencher une production et/ou un stockage d'énergie
électrique. Ainsi
qu'il sera décrit (cf. infra) ces réservoirs peuvent comprendre des contenus
identiques
ou différents et être de dimensions identiques ou différentes suivant le but
recherché.
Lorsque le contenu est identique, cet autre réservoir peut être utilisé en
tant que
recharge du dispositif. Ces réservoirs peuvent être disposés à la suite l'un
de l'autre,
ou être positionnés de part et d'autre de l'anode et de la cathode.
Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, le dispositif
peut
comprendre des moyens de désactivation (partielle, temporaire et/ou
définitive) de la
production et/ou stockage d'énergie électrique. De tels moyens peuvent
avantageusement prendre la forme d'un autre réservoir de structure similaire à
celle
décrite dans la présente demande. De tels moyens comprennent des moyens
d'aspiration du composé apte à déclencher une production et/ou un stockage
d'énergie
électrique et permettent donc d'aspirer et de stocker celui-ci. Les moyens
d'aspirations
peuvent par exemple être la présence d'un vide partiel dans le réservoir
associé à des
moyens d'ouverture du réservoir permettant une aspiration à l'intérieur du
réservoir.
Ces moyens peuvent également comprendre une substance absorbante permettant
l'aspiration d'un liquide par capillarité. D'autres aspects de ce mode
particulier de
réalisation sont décrits ci-dessous.
Selon un aspect particulier de l'invention, le dispositif peut comprendre plus
d'un
réservoir, ou d'un compartiment, dont le contenu et la configuration sont
choisis pour
permettre soit l'activation, soit l'augmentation, soit la diminution, soit
l'arrêt (ou la
désactivation) de la production et/ou du stockage d'énergie électrique. De
tels
dispositifs sont décrits en détails ci-dessous. Ainsi un des objets de
l'invention est un
dispositif tel que décrit dans la présente demande comprenant des moyens
d'augmentation, de diminution, de désactivation et/ou de réactivation de la
production
et/ou du stockage d'énergie électrique.
L'anode et la cathode du dispositif selon l'invention sont des électrodes
adaptées à
une utilisation en tant que piles à combustibles. Bien entendu, le dispositif
selon
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l'invention peut également comprendre une série d'anodes et de cathodes en
empilement ou "stack". L'anode et la cathode peuvent être en métal avec par
exemple
une cathode en argent et une anode en nickel plaquée de chrome. Il est
cependant
préférable que l'anode et la cathode soient d'un type convenant à des biopiles
et/ou
des piles enzymatiques. Ces bioélectrodes (anode ou cathode) peuvent
comprendre
un support constitué, ou à la surface duquel sont déposés, des nanotubes de
carbone,
un médiateur redox et une enzyme. Ces électrodes peuvent être multicouches et
comprendre avantageusement :
- une couche carbonée ayant une surface active spécifique élevée, telle
qu'une
couche de nanotubes de carbone, de noir de carbone, de carbone black, ou de
carbone sous forme d'agrégats ou de gel, les matériaux à base de carbone à
hautes surfaces spécifiques telle que les nanotubes de carbone ou les matrices
mésoporeuses carbonées, en particulier celles obtenues à partir d'oxyde de
magnésium MgO (cf. Inagaki et al. Templated mesoporous carbons: Synthesis
and applications Carbon 107 (2016) 448-473) sont préférées.
- une couche de médiateur et/ou orienteur ; et/ou
- une couche d'enzyme apte à catalyser les réactions d'oxydation ou de
réduction
du combustible.
Les couches peuvent être déposées successivement sur un matériau conducteur
d'électricité, qui peut constituer le support de ces couches ou être lui-même
déposé sur
un support inerte.
Le matériau conducteur peut être du carbone vitreux, du graphite pyrolytique,
en
particulier du "Highly Ordered Pyrolytic Graphite" (HOPG) de l'or, du platine
et/ou de
l'oxyde d'indium et d'étain. De préférence le matériau est constitué de
carbone vitreux
ou de graphite pyrolytique. Ainsi qu'il est présenté dans les exemples, les
bioélectrodes peuvent comprendre une feuille de nanotubes de carbone
fonctionnalisés par une enzyme, et de préférence un médiateur.
La feuille de nanotube est avantageusement appliquée sur un matériau
conducteur
faisant partie d'une électrode microporeuse à diffusion de gaz comprenant une
couche
GDL (GDL =Gas Diffusion Layer), couche qui comprend généralement des fibres de
carbone. Les feuilles de nanotubes adaptées à cette utilisation sont
disponibles dans le
commerce ou peuvent être fabriquées aisément en utilisant une suspension de
nanotubes dans un solvant tel que le N, N-diméthylformamide (DMF), une
sonication
(par ex. 30 minutes) et une filtration (filtre PTFE de la société Millipore
PTFE (JHWP,
taille des pores 0.45 pm, 0 = 46 mm). Cette méthode est décrite en détails
dans
Gross et al (2017) A High Power Buckypaper Biofuel Cell: Exploiting 1,10-
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Phenanthroline-5,6-dione with FAD-De pendent Dehydrogenase for Catalytically-
Powerful Glucose Oxidation ACS Catal. 2017, 7, 4408-4416.
Lorsque le combustible de la biopile à combustible est le glucose, l'enzyme
apte à
catalyser l'oxydation du glucose à l'anode est de préférence une Glucose
DésHydrogénase (GDH) catalysant la réaction :
D-glucose + accepteur ¨> D-glucono-1,5-lactone + accepteur réduit.
L'accepteur, ou co-facteur, est généralement une coenzyme de type NAD+/NADP+
ou flavine, comme la FAD (Flavine Adénine Dinucléotide), ou la FMN (Flavine
mononucléotide) qui est lié à la GDH. Une glucose déshydrogénase
particulièrement
préférée est la Flavine Adénine Dinucléotide ¨ Glucose Déshydrogénase (FAD-
GDH)
(EC 1.1.5.9). Le terme FAD-GDH s'étend aux protéines natives et à leurs
dérivés,
mutants et/ou équivalents fonctionnels. Ce terme s'étend en particulier aux
protéines
qui ne diffèrent pas de manière substantielle au niveau de la structure et/ou
de l'activité
enzymatique. Ainsi on peut utiliser pour l'anode, en association avec un
cofacteur, une
protéine enzymatique GDH présentant une séquence d'acides aminées possédant au
moins 75%, de préférence 95%, et encore plus préférentiellement 99% d'identité
avec
la ou les séquences GDH telles que répertoriées dans les banques de données
(par
exemple SWISS PROT). Une FAD-GDH d'aspergillus sp. est particulièrement
préférée
et efficace mais d'autres FAD-GDH provenant de Glomerella cingulata (GcGDH),
ou
une forme recombinante exprimée dans Pichia pastoris (rGcGDH), pourraient
également être utilisées. Il est également possible d'utiliser une anode en
utilisant une
enzyme oxydo-réductase (EC 1.1.3.4) de type glucose oxydase (GOx, GOD) qui
catalyse l'oxydation du glucose en peroxyde d'hydrogène et en D-glucono-5-
lactone.
Cette enzyme est également liée à un co-facteur comme le FAD (Flavine Adénine
Dinucléotide). Une glucose oxydase particulièrement préférée est la Flavine
Adénine
Dinucléotide ¨ Glucose oxydase (FAD-GOx). Ce terme s'étend aux protéines
natives et
à leurs dérivés, mutants et/ou équivalents fonctionnels. Le terme FAD-GOx
s'étend en
particulier aux protéines qui ne diffèrent pas de manière substantielle au
niveau de la
structure et/ou de l'activité enzymatique. Ainsi on peut utiliser pour
l'électrode selon
l'invention, en association avec un co-facteur, une protéine enzymatique GOx
présentant une séquence d'acides aminés possédant au moins 75%, de préférence
95%, et encore plus préférentiellement 99% d'identité avec la ou les séquences
GOx
telles que répertoriées dans les banques de données (par exemple SWISS PROT).
Une FAD-GOx extraite d'aspergillus niger est particulièrement préférée. La FAD-
GDH
présente une activité plus élevée que la glucose oxydase et donc un courant
catalytique plus élevé. Ceci est d'un grand intérêt afin d'augmenter les
puissances
générées dans les biopiles enzymatiques. Il est à noter que contrairement à la
Glucose
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Oxydase, l'enzyme FAD-GDH ne produit pas de peroxyde d'hydrogène. Le peroxyde
d'hydrogène en raison de ses propriétés oxydantes peut présenter des
inconvénients
pour la stabilité des biopiles (membrane, stabilité des enzymes à la
cathode...).
Dans le cas particulier des biopiles à glucose, la réduction du dioxygène à
lieu à la
5 cathode. L'enzyme ou les enzymes qui peuvent être utilisées peuvent être
choisies
dans le groupe constitué de l'enzyme laccase, avantageusement associée au
médiateur ABTS (2,2'-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonic acide) ou un
médiateur/ orienteur comme le pyrène, naphtalène, anthracène ou
anthraquinone,
ou encore de la Bilirubine oxydase associée au promoteur protoporphyrine IX ou
10 médiateur ABTS (2,2'-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonic acide).
Le dispositif selon l'invention comprend avantageusement un élément, ou
circuit
électrique, relié à un consommateur électrique qui permet la circulation d'un
courant
électrique. Ainsi qu'il a été décrit précédemment, ce circuit peut comprendre
un
interrupteur.
Bien que le dispositif selon l'invention soit particulièrement adapté à des
biopiles
et/ou aux électrodes associées, le dispositif n'est nullement limité à ce mode
de
réalisation.
Selon la préférence, le dispositif est portable et de préférence intégral. Un
dispositif
intégral est un dispositif qui se contient lui-même et qui, avantageusement,
ne
comprend pas de parties amovibles. Aussi le dispositif comprend
avantageusement un
boitier, ou un casing , qui peut protéger l'anode et la cathode tout en
permettant à
l'utilisateur un accès à la partie deformable du réservoir.
Selon un aspect préféré de l'invention, le dispositif est un dispositif
autonome, isolé
et/ou indépendant d'un apport extérieur autre que gazeux. En particulier, il
ne
nécessite pas un apport de liquide et/ou de combustible
Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication du dispositif
selon
l'invention. Ce procédé comprend les étapes de connexions des éléments du
dispositif
tels que décrit de manière fonctionnelle. Notamment ce procédé comprend la
disposition (i) d'au moins un composé apte à déclencher une production ou un
stockage d'énergie électrique entre l'anode et la cathode, et (ii) un
réservoir d'un
liquide apte à déclencher une production ou un stockage d'énergie électrique,
un
moyen permettant l'ouverture du réservoir ; et un moyen de mise en contact du
liquide
avec le séparateur.
Un autre objet de l'invention est un dispositif incorporant le dispositif
selon
l'invention en tant que générateur de courant. A titre d'exemples on peut
citer de
manière non limitative un test médical (de mesure ou de diagnostique)
effectués par un
individu sur lui-même ou sur un patient sur le lieu de traitement ou à
proximité, c'est-à-
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dire au moment et à l'endroit des soins (également connu en tant que Point-
Of-Care
Testing , or POCT). Par exemple un tel test peut être un test d'ovulation
et/ou de
grossesse. Le dispositif peut également être un test non médical et comprendre
un
dispositif ou emballage électronique pouvant intégrer un container du liquide
dans sa
conception pour activer la production d'énergie.
Un autre objet de l'invention est l'utilisation d'un dispositif selon
l'invention pour la
production d'énergie électrique et avantageusement dans la fabrication d'un
dispositif
électrique ou électronique tel que décrit dans le paragraphe précédent.
Un autre aspect de l'invention est un kit, ou kit-of-parts , pour la
fabrication d'un
dispositif de production d'énergie telle qu'une cellule électrochimique, par
exemple une
pile. Un tel kit comprend le dispositif selon l'invention avantageusement
accompagné
d'une notice d'utilisation.
Brève description des figures
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre
donnée
uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans
lesquels :
[Fig. 1] la figure 1 est un schéma des différentes étapes illustrant le
principe de
fonctionnement d'un dispositif de production d'énergie électrique selon un
premier
mode de réalisation,
[Fig. 2a] la figure 2a est une vue schématique en coupe d'un réservoir
comprenant
des moyens de libération de la solution selon une première variante,
[Fig. 2b] la figure 2b est une vue schématique en coupe d'un réservoir
comprenant
des moyens de libération de la solution selon une seconde variante,
[Fig. 2c] la figure 2c est une vue schématique en coupe d'un réservoir
comprenant
des moyens de libération de la solution selon une troisième variante,
[Fig. 3] la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un réservoir à
plusieurs
compartiments selon une première variante,
[Fig. 4] la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un réservoir à
plusieurs
compartiments selon une seconde variante,
[Fig. 5] la figure 5 est une représentation schématique d'un dispositif de
production
d'énergie électrique selon un second mode de réalisation de l'invention,
[Fig. 6] la figure 6 est une représentation schématique d'un dispositif de
production
d'énergie électrique selon un troisième mode de réalisation de l'invention,
[Fig. 7] la figure 7 est une représentation schématique d'un dispositif de
production
d'énergie électrique selon un quatrième mode de réalisation de l'invention,
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[Fig. 8a] la figure 8a est une représentation schématique d'une combinaison de
deux réservoirs pouvant être utilisés dans un dispositif de production
d'énergie
électrique selon l'invention,
[Fig. 8b] la figure 8b est une représentation schématique d'une combinaison de
deux réservoirs pouvant être utilisés dans un dispositif de production
d'énergie
électrique selon l'invention,
[Fig. 8c] la figure 8c est une représentation schématique d'une combinaison de
trois
réservoirs pouvant être utilisés dans un dispositif de production d'énergie
électrique
selon l'invention,
[Fig. 9] le figure 9 est une première vue éclatée en perspective et vue de
face et de
dessous d'un dispositif de productif d'énergie électrique selon l'invention de
l'exemple
1,
[Fig. 10] la figure 10 est une seconde vue éclatée en perspective de la figure
9, vue
cette fois de côté et légèrement de dessus du dispositif de production
d'énergie
électrique de l'exemple 1,
[Fig. 11] la figure 11 est une courbe illustrant la production d'énergie du
dispositif de
production d'énergie électrique de l'exemple 1.
Description détaillée
On se réfère désormais à la figure 1 illustrant de manière schématique un
dispositif
de production d'énergie électrique selon l'invention. Nous allons décrire,
dans un
premier temps, différentes variantes de ce dispositif avant de décrire le
procédé de
mise en uvre et de production d'énergie.
Anode et cathode
Le dispositif de production d'énergie électrique 2 comprend une anode 4 et une
cathode 6. Afin d'assurer la réaction d'oxydoréduction permettant la
production
d'énergie électrique, l'anode 4 et la cathode 6 sont formées de matériaux
permettant
l'échange ionique. L'anode et la cathode doivent avoir des propriétés
spécifiques
(épaisseur, conductivité, résistance de surface), choisies en fonction de
l'application.
Ces éléments peuvent être imprégnés d'enzymes et de médiateurs.
Par exemple l'anode 4 et la cathode 6 comprennent des feuilles de nanotubes,
et en
particulier des feuilles composées de nanotubes de carbone multi- feuillets
(MWNT)
telles que décrites ci-dessus. Dans le cas de piles à glucose, la feuille de
nanotubes
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est imprégnée de médiateurs et d'enzymes permettant l'oxydation du glucose à
l'anode
et la réduction de l'oxygène de l'air en eau à l'anode. Par exemple, l'anode 4
peut
comprendre l'enzyme glucose oxydase et/ou la FAD déshydrogénase pour
l'oxydation
de glucose ainsi que de la naphthoquinone et/ou de la phénathrolinequinone en
tant
que médiateur redox transférant les électrons à l'électrode.
La cathode peut quant à elle comprendre l'enzyme laccase, la bilirubine
oxydase et
l'ABTS en tant que médiateur.
Séparateur
Une couche de diffusion 8, où séparateur, est disposée entre l'anode 4 et la
cathode
6. Cette dernière permet la diffusion ou le transfert d'une solution
déclenchant la
production d'énergie électrique par oxydoréduction entre l'anode et la
cathode.
Le transfert peut être effectué par ce que l'on nommera une couche de
diffusion. La
couche de diffusion 8 peut, par exemple, être un simple espace ou de manière
plus
avantageuse comprendre, ou être constituée d'un matériau de type papier dans
lequel
la solution déclenchant l'oxydoréduction peut se diffuser par capillarité. Un
compromis
doit être effectué entre son épaisseur et sa capacité alvéolaire (volume des
vides).
Cette couche de diffusion 8 forme, une couche séparatrice entre l'anode et la
cathode et peut également constituer, au moins en partie, le support de
diffusion de
l'électrolyte.
Réservoir
Le dispositif de production d'énergie électrique de la figure 1 comprend
également
au moins un réservoir 10 de préférence deformable. Dans cette variante on
entend par
réservoir, un moyen de rétention d'au moins un liquide (y inclus un semi-
liquide ou un
gel), permettant une fois libéré, en imbibant la couche de diffusion 8,
l'échange ionique
entre l'anode 4 et la cathode 6 et la production d'électricité. La couche de
diffusion 8
est positionnée entre l'anode et la cathode et peut comprendre une portion
(par
exemple une languette) se projetant vers l'extérieur. Tout ou partie est en
contact avec
le fluide, avec un moyen de rétention 14, qui peut être formé d'une couche de
séparation, obturant le réservoir 10. Le contact fluide peut être direct ou
non. Le
réservoir 10 comprend une coque 12 formant une cavité dans laquelle le liquide
est
renfermé et d'une couche de séparation obturant l'ouverture de la coque 12. Ce
dispositif est également connu sous sa dénomination anglaise de 'blister
pack'.
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La coque 12 est avantageusement déformable. Elle peut être réalisée dans un
matériau choisi parmi le polychlorure de vinyle (PVC), un matériau formé par
des
résines fluorées-chlorées, les cyclo oléfines polymères (COP), les cyclo
oléfines
copolymères (COC), le polyéthylène (PE), les polyamides orientés (OPA),
l'aluminium
(AI), l'aluminium en combinaison avec de la laque thermoscellable ("Hot-
Sealing
Lacquer", HSL, en anglais) ou encore l'aluminium en combinaison avec un
copolymère
d'acétate de vinyle de chlorure de vinyle résine ("Vinyl Chloride Maleic Acid
Vinyl
Acetate Copolymer", VMCH, en anglais).
Le choix du ou des matériaux utilisés pour former la coque 12 peut dépendre de
plusieurs facteurs. Par exemple, et si elle est destinée à accueillir un
liquide ou des
substances pouvant migrer, une couche barrière est mise en place. Il est
également
possible de choisir des matériaux inertes vis-à-vis de la matière stockée dans
le
réservoir 10 ou des matériaux absorbants de la vapeur d'eau, de l'oxygène (ou
les
deux) pour contrôler l'atmosphère à l'intérieur de l'ampoule 10 et ainsi
préserver le
produit contenu (stabilité accrue dans le temps). On peut également choisir un
ou des
matériaux ayant l'impact environnemental le plus faible.
Le liquide retenu à l'intérieur du réservoir 10 peut par exemple être une
solution
aqueuse de glucose interagissant avec les enzymes citées ci-dessus pour
permettre
l'échange de protons entre la cathode 6 et l'anode 4. L'avantage de ce
dispositif est
qu'aucun apport exogène à l'exception de l'oxygène n'est nécessaire pour faire
fonctionner le dispositif de production d'énergie électrique 2.
Tant que l'on ne souhaite pas produire un courant électrique, le liquide est
renfermé
dans le réservoir 10. L'isolement du liquide évite des contaminations entre le
dispositif
de production d'énergie électrique 2 et l'environnement de ce dernier.
Le moyen de rétention 14 obturant l'ouverture de la coque 12 permet de
maintenir le
liquide dans l'ampoule. Il peut être réalisée dans un ou plusieurs des
matériaux cités
ci-dessus. Il peut par exemple s'agir d'un film composite composé d'une couche
d'aluminium (potentiellement recouverte d'une couche protectrice de
polytéréphtalate
d'éthylène (PET)) et d'une couche de scellement (par exemple réalisée en
polypropylène ou encore en polyéthylène). On privilégiera une solution basée
sur des
matériaux biodégradables, comme par exemple le papier ou un film de PVC
biodégradable du type ECOmplyTM vendu par la société Bilcare Research AG,
Hochbergerstrasse 60B 4057 Basel Switzerland.
Le moyen de rétention 14 est apte à se rompre sous une pression afin de
libérer le
contenu du réservoir 10. La figure 1 décrit le principe de fonctionnement d'un
dispositif
de production d'énergie électrique 2.
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Lors de l'étape 1A, ce dernier est à l'état inactif. Un liquide (ou un semi
liquide ou un
gel) 28 est confiné dans le réservoir 10. Lors de l'étape 1B, le liquide 28
est libéré du
réservoir 10 par rupture du moyen de rétention 14. Le liquide 28 est alors
libéré. Lors
de l'étape 10, le liquide 28 se propage dans la couche de diffusion 8. Lors de
l'étape
5 1D, le liquide 28 atteint la portion de la couche de diffusion
positionnée entre l'anode 4
et la cathode 6. La présence de ce liquide permet alors l'échange ionique
entre l'anode
4 et la cathode 6 ce qui induit la production d'électricité par une réaction
d'oxydoréduction dont le type peut varier suivant le type de cellule
électrochimique
choisi.
Dispositifs de rupture de la couche de séparation
Le moyen de rétention 14 est apte à se rompre sous une pression afin de
libérer le
contenu du réservoir 10. Afin de pouvoir faire cela, plusieurs options peuvent
être
mises en uvre:
- Comme représenté à la figure 2a il est par exemple possible de faire en
sorte,
qu'un joint 16 assurant l'étanchéité entre la coque 12 et la couche de
diffusion 8 se
rompe sous l'exercice d'une pression sur la coque 12. Dans ce cas, c'est
l'augmentation de pression à l'intérieur de l'ampoule qui permet la rupture du
joint 16.
Ce dernier est choisi dans un matériau adapté et dimensionné pour se rompre
dès que
cette pression atteint une valeur seuil. Il est également possible de ménager
des points
de faiblesse dans le joint 16 pour faciliter cette rupture ;
- Il est additionnellement ou alternativement possible de prévoir des moyens
de
perçage 18 dans le moyen de rétention 14. Ces derniers, pouvant prendre la
forme
d'aiguilles ou de pointes, peuvent être disposés à l'intérieur du réservoir 10
ou à
l'extérieur de cette dernière. La figure 2c illustre un moyen de perçage 18
disposé à
l'intérieur de la chambre de l'ampoule 10 (le nombre peut également varier).
La figure
2b illustre le cas dans lequel trois moyens de perçage 18 (leur nombre peut
varier)
placés en regard ou dans le joint à l'extérieur de la chambre de l'ampoule 10.
Dans le cas de l'utilisation de moyens de perçage 18, il est préférable de
prévoir un
espace entre ces derniers et le moyen de rétention 14 afin d'éviter un perçage
accidentel. On s'assure ainsi que ce perçage n'a lieu qu'en exerçant une
pression
suffisamment forte pour cela.
Une pression externe exercée sur la coque 12, permet la déformation de cette
dernière afin de libérer le contenu du réservoir 10. Cette pression peut être
exercée par
un utilisateur ou par des moyens de pression automatisés, hydrauliques ou
pneumatiques.
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Réservoir multi-compartimenté
Le réservoir 10 du dispositif selon l'invention peut comprendre un seul ou
plusieurs
compartiments. En effet, il peut être intéressant de séparer les composants
permettant
de déclencher la production d'électricité. Par exemple, il est possible de
séparer
différents composés chimiques, nécessaires au fonctionnement de la pile.
Néanmoins,
la combinaison dans un même réservoir, pour un temps plus ou moins long,
pourrait
provoquer des réactions non souhaitées, telles qu'une dégradation. Il est
également
possible de conserver dans un ou des compartiments des biomolécules dans un
état
particulier (sec, humide, en gel, en poudre etc.), la rupture des différents
compartiments permettant d'obtenir le composé permettant la production
d'énergie (par
exemple, un élément conservé à l'état sec solubilisé par un solvant présent
dans un
autre compartiment). L'utilisation de plusieurs compartiments permet non
seulement la
préservation des différents éléments mais également d'obtenir une réaction
optimale.
La figure 3 illustre schématiquement une première variante d'un réservoir 110
à deux
compartiments 112 et 113 et la figure 4 une seconde variante d'un réservoir
210 à trois
compartiments 212, 213 et 216. En fonction du fonctionnement du dispositif de
production d'énergie électrique 2 mais également de la nature du contenu du
réservoir
10, 110 ou 210 (état des différents composés, etc.), les différents
compartiments
peuvent comprendre notamment un solvant (par exemple de l'eau), des
électrolytes,
des enzymes, des médiateurs, des cofacteurs, un substrat (par exemple du
glucose)
ou des molécules d'orientation enzymatique. Le moyen de rétention 14 peut
être, ou
comprendre, un joint 16.
Il est également possible que le réservoir comprenne deux espaces distincts,
chacun comprenant plusieurs compartiments.
Autres éléments formant le dispositif de production d'énergie électrique
Le dispositif de production d'énergie électrique 2 peut également comprendre
les
éléments usuels des cellules électrochimiques et en particulier des piles à
combustible.
Ainsi le dispositif peut comprendre des éléments conducteurs en contact avec
une
anode (en particulier sur la face opposée de la face de l'anode en contact
avec la
couche de diffusion). Lorsque le dispositif est alimenté par un gaz, des
moyens de
diffusion de ce gaz peuvent être disposés pour permettre l'apport de celui-ci.
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Enfin, le dispositif de production d'énergie électrique peut comprendre un
support,
de préférence assez rigide, et un élément d'habillage, par exemple une bande
en fibres
de verre, en plastique, ou en polystyrène, ou préférentiellement un matériau
biosourcé,
entourant l'ensemble des éléments décrits ci-dessus, à l'exception du
réservoir 10,
accessible pour pouvoir libérer son contenu. Cet élément a pour but de
solidariser et
de protéger le dispositif.
La figure 5 illustre une première variante du dispositif selon l'invention
dans lequel
deux réservoirs 10a et 10b sont utilisés. Là encore, il peut s'agir des types
de
réservoirs décrits ci-dessus. Ici le réservoir 10a comprend un joint 16
pouvant être
rompu et du liquide 28. Le réservoir 10b est situé de l'autre côté de la pile
et comprend
des moyens de perçage situés en dehors de la chambre du réservoir 10b et
permettant
de percer le joint 16. Le réservoir 10b ne comprend pas de liquide 28. Le
moyen de
diffusion 8 s'étend d'un réservoir 10a au réservoir 10b et est en contact avec
l'un et
l'autre.
Selon ce mode de réalisation, il est possible d'activer puis de désactiver le
dispositif
de production d'énergie électrique 2.
Les étapes 5A à 5C correspondent aux étapes 1A à 1D décrites précédemment
avec libération d'un liquide 28 dans la couche de diffusion 8 et production
d'électricité
selon un régime ré-activable.
Il est possible de désactiver le dispositif de production d'énergie électrique
2 comme
illustré aux étapes 5D et 5E. Lors de l'étape 5D, une pression est exercée sur
le
réservoir 10b ceci afin d'ouvrir ce réservoir 10b qui ne contient pas de
liquide à libérer.
L'ouverture peut se faire du fait des moyens de perçage 18 entrant en contact
avec le
moyen de rétention 14. Comme le réservoir 10b est alors en communication
fluide
avec la couche de diffusion 8, le liquide 28 peut pénétrer dans le réservoir
10b. Des
moyens pour forcer le liquide 28 à entrer au moins en partie dans le réservoir
10b sont
utilisés, comme illustré à l'étape 5E. Ces moyens peuvent être par exemple la
gravité,
un courant de gaz tel que l'air (si le réservoir 10b contient un vide
partiel). Une fois une
absorption, ou un transfert, d'une quantité suffisante du liquide 28 dans le
réservoir 10b
pour qu'il n'y ait plus suffisamment de liquide 28 entre l'anode 4 et la
cathode 6, le
dispositif de production d'énergie électrique 2 est désactivé. Bien entendu la
quantité
du liquide 28 doit être prédéterminée afin de permettre la désactivation.
Le moyen de désactivation qui comprend le réservoir 10b, peut être temporaire.
Il
est possible de réactiver le dispositif de production d'énergie électrique 2
pour renvoyer
le liquide 28 vers l'anode 4 et la cathode 6. Ceci peut être fait, par
exemple, par
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gravité, en repositionnant le réservoir 10b, ou en appuyant de nouveau sur
l'ampoule
10b pour réinjecter le liquide 28 vers l'anode et la cathode.
Alternativement, il est possible comme indiqué précédemment que le réservoir
10b
comprenne un ou plusieurs composés permettant de désactiver le dispositif de
production d'énergie électrique 2 en fonction du contenu de la solution 28.
Différentes
stratégies de désactivation peuvent être mises en uvre. Il peut s'agir par
exemple de
la présence d'un composé absorbant le liquide 28, d'un changement de pH par
introduction d'un acide ou d'une base, d'un changement de température, de
rupture de
structure secondaire/tertiaire par ajout d'un solvant organique, d'un ajout
d'inhibiteur
d'enzymes diminuant l'activité des enzymes par fixation à ces dernières ou
encore
l'ajout de sel afin de stopper l'hydratation des enzymes. D'autres stratégies
sont
envisageables, notamment en fonction de la nature du liquide 28 et de sa
quantité
présente dans le réservoir 10a.
Aussi, la figure 6 illustre une seconde variante de réalisation de l'invention
illustrant
un dispositif de production d'énergie électrique 2 que l'on peut utiliser
plusieurs fois,
c'est-à-dire un dispositif multi-usages. Selon ce mode de réalisation, il est
possible
d'activer le dispositif de production d'énergie électrique 2 à plusieurs
reprises en
disposant plusieurs réservoirs qui peuvent libérer le liquide 28 activateur du
dispositif à
tour de rôle.
Là encore, il peut s'agir de tous types de réservoir décrits ci-dessus. Ici
les
réservoirs 10a et 10b comprennent chacun un joint (16a et 16b) pouvant être
rompu
par simple pression. D'autres moyens pour rompre ces moyens de rétention, tels
que
par exemple des pointes telles que décrites ci-dessus, sont bien évidemment
envisagés.
Selon ce mode de réalisation, les étapes 6A à 60 correspondent aux étapes 1A à
1D avec libération de la solution 28A dans la couche de diffusion 8 et
production
d'électricité selon un régime réactivable.
A l'étape 6D, le dispositif de production d'énergie électrique 2 est inactif
du fait de
l'évaporation du liquide ou de l'absence de combustible. Une inactivité du
dispositif de
production d'énergie électrique 2 peut être définie comme l'absence totale de
production d'énergie ou alors lorsque la quantité d'énergie produite passe
sous une
valeur plancher prédéterminée.
Afin de réactiver le dispositif de production d'énergie électrique 2 (étape 6E
et 6F),
on agit sur le réservoir 10b, rempli de liquide d'activation 28B qui peut être
libéré
séquentiellement par action (par exemple application d'une pression) sur le
réservoir
10b. Le principe de fonctionnement est le même que celui décrit précédemment.
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La figure 7 illustre un troisième mode de réalisation d'un dispositif de
production
d'énergie électrique 2 pouvant être réactivé et/ou désactivé plus d'une fois.
Dans ce cas, le dispositif de production d'énergie électrique 2 peut être
activé par
l'exercice d'une pression sur le réservoir 10A qui rompt un joint 16 (comme
décrit
précédemment auparavant).
Lorsque le dispositif de production d'énergie électrique 2 n'est plus actif
(pas assez
ou plus d'activité), il est possible de réactiver ce dernier en injectant de
nouveau du
liquide activateur entre l'anode 4 et la cathode 6, en régénérant la solution
déjà
présente ou, au contraire en injectant un désactivateur. Cela peut être
réalisé grâce
aux réservoirs 10B et 10C dont le contenu, respectivement, 29 et 30, et la
taille sont
déterminés en fonction de la nature du liquide activateur 28 de l'ampoule 10A
ainsi que
du but recherché, augmentation ou maintien, de l'activité ou, diminution ou
arrêt, de la
production d'énergie par le dispositif de production d'énergie électrique 2.
Le contenu
29 et/ou 30 peut donc contenir une recharge de liquide 28 ou d'autres composés
de
biomolécules, électrolytes, médiateurs, enzymes ou encore substrat. Elle peut
également contenir un moyen d'arrêt ou de diminution de l'activité électrique
comme
un vide partiel, un absorbant, etc...
Les figures 8a à 8c illustrent de manière schématique et partielle la
disposition de
réservoirs 10, 10A, 10B, et/ou 10C pouvant être inclus dans des dispositifs de
production d'énergie électrique 2 selon l'invention tels que décrits dans la
présente
demande.
La variante partiellement illustrée à la figure 8a comprend deux réservoirs 10
et 10A
pouvant comprendre chacun une composition (de préférence un liquide) identique
ou
différente. Les deux réservoirs sont connectés en parallèle par un conduit 11,
lui-même
connecté à, ou comprenant, ou constitué d'une couche de diffusion. Les deux
compositions peuvent être libérées par le perçage de moyens de séparations
(non
représentés) simultanément ou à des instants différents. Dans cette
disposition, les
réservoirs 10 et 10A sont séparés et distincts. Les compostions qu'elles
contiennent ne
peuvent interagir ensemble qu'a l'extérieur de leurs réservoirs respectifs.
La variante illustrée à la figure 8b comprend un réservoir 10 comprenant deux
compartiments 10A et 10B contenant chacun une composition, de nature
différente ou
identique. Le compartiment 10B peut être intégralement contenu dans le
compartiment
10B. Des moyens de perçage (non représentés) sont disposés permettant le
perçage
simultané ou séquentiel des compartiments 10A et 10B. Ils peuvent notamment
permettre le mélange entre les deux compositions des compartiments 10A et 10B
dans
le réservoir 10 avant la libération dans le conduit 11.
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La variante illustrée à la figure 8c comprend quatre réservoirs 10, 10A, 10B
et 10C.
Son principe de fonctionnement est similaire à la variante de la figure 8a. Le
schéma
permet de comprendre comment en variant la nature des compositions contenues
dans ces réservoirs, il est possible d'influencer la production énergétique :
soit en
5 l'augmentant, en la maintenant ou en la diminuant. Comme pour les
réservoirs montrés
dans la figure 8a, les compositions ne peuvent interagir qu'a l'extérieur de
leurs
ampoules respectives dans le conduit 11.
Exemple de mise en uvre de l'invention
Un exemple du dispositif de production d'énergie électrique 2, a été réalisé.
Le
dispositif est une pile à combustible. Plus particulièrement il s'agit d'une
biopile à
glucose dont la structure est représentée aux figures 9 et 10. Les électrodes
comprennent des feuilles de nanotubes MWNT (cf. supra). Ensuite, ces feuilles
ont été
modifiées par dépôt (pipette) d'une solution du médiateur
(phénanthrolinequinone, 10
mmol/L dans acétonitrile) dans une quantité de 80 pL/0.785 cm2 à l'anode 4 et
du
promoteur (protoporphyrine IX, lOmmol/L dans l'eau) avec une quantité de 80
pL/0.785 cm2 à la cathode 6. Après séchage des deux électrodes, les enzymes
sont
ajoutées sur ces feuilles par dépôt (pipette) d'une solution de 5 mg/L FAD GDH
avec
une quantité de 80 pL/0.785 cm2 à l'anode 4 et d'une solution de 5 mg/L
Bilirubine
oxydase avec une quantité de 80 pL/0.785 cm2 à la cathode 6. On a laissé
ensuite
chaque feuille/ électrode 4 et 6 sécher une nuit entière à température
ambiante.
A titre d'illustration, un réservoir 10 réalisé en réutilisant un emballage
pour
médicaments (blister en plastique et fermé par un feuille d'aluminium) a été
rempli par
environ 250pL d'une solution de glucose à une concentration de 150 mM dans une
solution tampon phosphate salin de concentration 0.1 M (Phosphate Buffered
Saline,
PBS, en anglais). Il a été ensuite recouvert d'un film en polyéthylène (Marque
PARAFILM M) qui est un film plastique de paraffine sur papier produit par la
société
Bemis North America, entreprise située à Neenah au Wisconsin (États-Unis). Il
s'agit
d'un matériau thermoplastique (il ne peut donc pas être utilisé en autoclave),
ductile,
malléable, étanche, sans odeur, cohésif et translucide. Le réservoir 10 est
ensuite
scellé avec une bande d'adhésif afin d'éviter toute fuite non désirée de la
solution de
glucose.
Après séchage des électrodes 4 et 6, le dispositif de production d'énergie
électrique
illustré sur les figures 1 et 2 est assemblé comme suit : Une feuille de
papier buvard de
type papier filtre Whatman et de dimensions selon la configuration de la
biopile avec
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une épaisseur de 190 pm et un grammage de 97 g.rn-2 qui constitue la couche de
diffusion 8, est placée en sandwich entre les deux électrodes 4 et 6. Cette
couche de
papier buvard comprend une projection 5. Une feuille de graphite de type GDL
(Gas
Diffusion Layer) constituant une couche conductrice 20 est positionnée sur la
face de
l'anode 4 qui n'est pas celle en contact avec la couche de diffusion 8.
Une couche conductrice et de diffusion de gaz 22 également constituée d'une
feuille
de graphite est placée en contact avec la cathode 6 (sur la face opposée de la
face de
la cathode 6 en contact avec la couche de diffusion 8). Cette dernière permet
l'apport
d'oxygène à la cathode 6. Elle constitue également une couche conductrice. La
diffusion du gaz est effectuée par un tracé en creux permettant le passage du
gaz.
Comme cela est visible sur la figure 9, la couche de diffusion gazeuse 22 et
la cathode
6 sont dimensionnées et agencées de manière à mettre en regard direct le moyen
de
rétention 14 du réservoir 10 et la couche de diffusion 8 afin de permettre la
diffusion du
contenu du réservoir 10 dans la couche de diffusion 8, lorsque le moyen de
rétention
14 est percé.
Enfin, le dispositif de production d'énergie électrique 2 comprend un support
24, de
préférence assez rigide, en polyester ou en papier par exemple, et une couche
d'habillage 26, constituée d'une bande en fibres de verre (ou autre matériau
préférentiellement biosourcé), entourant l'ensemble des éléments décrits ci-
dessus à
l'exception de:
- l'ampoule 10 accessible pour pouvoir libérer son contenu,
- des ouvertures 27 placées en regard de la couche de diffusion gazeuse 22
et
permettant l'arrivée d'oxygène à la pile ; et
- des possibles ouvertures 31 permettant l'accès aux couches conductrices
d'électricité 20 ou 22.
Lorsqu'une production d'électricité est nécessaire, une pression est exercée
sur la
coque 12 du réservoir 10, pression suffisante pour briser les moyens de
rétention 14 et
libérer la solution de glucose sur la projection 5 de la feuille de papier
buvard ou
couche de diffusion 8. Par capillarité, le liquide se propage dans la feuille
et permet
l'échange ionique de protons entre la cathode et l'anode et donc la production
de
courant.
La figure 11 est la mesure de l'énergie produite par le dispositif de
production
d'énergie électrique 2 décrit ci-dessus. La mesure est effectuée à l'aide d'un
potentiostat dont les extrémités de la contre-électrode et l'électrode de
référence sont
court-circuitées ensemble et connectées à l'anode tandis que l'électrode de
travail est
connectée à la cathode par le biais de connecteurs tels des pinces crocodiles,
non
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WO 2021/094593 PCT/EP2020/082150
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représentées. Le potentiel en circuit ouvert (ou OCP pour "Open Circuit
Potential"en
anglais) est alors mesuré.
A titre d'illustration, le moyen de rétention 14 du réservoir 10 est rompu à t
= 50
secondes par compression manuelle de la coque 12 de cette dernière, ce qui
permet à
son contenu de se propager dans la couche de diffusion 8. 10 secondes plus
tard (t =
60 secondes) et 25 secondes plus tard (t = 75 secondes), le potentiostat
enregistre un
voltage ou tension respectivement égal à 0,458 V et 0,526 V. Comme illustré à
la figure
11, le dispositif de production d'énergie électrique 2 continue de produire de
l'électricité
au cours du temps.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres
modes
de réalisation apparaîtront clairement à l'homme de métier.
Il est notamment possible de prévoir l'utilisation de matériaux différents de
ceux
cités ci-dessus pour former les différents éléments formant le dispositif de
production
d'énergie électrique.
Les composés permettant de produire de l'énergie peuvent également être
différents de ceux mentionnés plus haut.
Liste des références numériques et documentaires
2 : dispositif de production d'énergie électrique
4 : anode
5: projection de la couche de diffusion 8
6 : cathode
8: couche de diffusion ou séparateur
10, 110, 210, 10a, 10b, 10c, 10A, 10B et 10C : réservoir
12 : coque du réservoir
14 : moyens de rétention
16 :joint
18: moyens de perçage
20 : couche conductrice
22 : couche conductrice et de diffusion gazeuse
24 : support
26 : couche d'habillage
27 : ouverture permettant l'entrée d'oxygène
28, 29, 30 : liquide contenue dans le réservoir
31 : ouvertures pour accéder aux feuilles conductrices 20 et 22
112, 113, 212, 213, 216 : compartiments du réservoir
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